CN110464491A - 牙齿矫治器及其数字模型的生成方法、矫治器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及口腔临床正畸领域，公开了一种牙齿矫治器及其数字模型的生成方法、矫治器的制作方法。本发明中，一种牙齿矫治器数字模型的生成方法，包括：获取初始牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与所述矫治力信息相匹配的矫治器数字模型，上述方案提供一种可以直接制作出与矫治力信息相匹配的矫治器的方案。
Description
技术领域
本发明涉及口腔临床正畸领域，特别涉及牙齿矫治器及其数字模型的生成方法、矫治器的制作方法。
背景技术
牙颌畸形是口腔三大疾病之一，有很高的患病率。极大部分错颌畸形产生于生长发育过程中，由先天的遗传因素或后天的环境因素，如疾病、口腔不良习惯、替牙异常等导致的牙、颌骨、颅面的畸形，如牙排列不齐，上下牙弓间的颌关系异常发等。错颌畸形会对口腔局部甚至全身带来极大的危害：影响颌面的发育、影响口腔健康、影响口腔功能、影响容貌外观等。目前患者通过外科手术或者佩戴矫治器进行矫治。所佩戴的矫治器一般为固定式矫治器，在牙齿表面粘贴托槽或者种植支抗等，经由托槽与弓丝配合以达到对牙齿进行矫治的目的。随着技术的发展和审美的提高，基于计算机技术和材料的发展，隐形矫治器也越来越多的被患者所接受，通过戴用一系列的隐形矫治器,不断的小范围的移动牙齿使错位牙得以矫正。
现在常用的隐形矫治器设计与制造方法通常是采用间接增材制造的方式进行，通常先采用增材制造的方法生产牙颌模型，再采用压膜工艺生产隐形矫治器。牙颌数字模型的设计是牙颌模型制作的基础，现在常用的设计及生产方法主要依托于医生的临床经验进行，通常包括以下过程：1)医生对患者的牙齿信息进行分析；2)综合上述分析结果设计牙齿矫治方案；3)根据矫治方案生成牙颌数字模型；4)采用3D技术打印出牙颌模型。
上述技术方案存在以下问题：压膜工艺本身无法实现局部参数的精准控制，不能实现矫治器的精准制作，制作出的矫治器的矫治精度无法有效控制，从而影响矫治效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种高精度的牙齿矫治器及其数字模型的生成方法、矫治器的制作方法，使牙齿矫治器的矫治效果与牙齿矫治设计方案中的矫治目标相匹配。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种矫治器数字模型的生成方法，包括：获取初始牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与所述矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
本发明还提供了一种牙齿矫治器的制作方法，包括：获取初始牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型；根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与所述矫治力信息相匹配的矫治器数字模型；根据所述矫治器数字模型，通过增材制造方式制备对应的矫治器。
本发明还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的矫治器数字模型的生成方法，以及制作方法。
本发明还提供了一种矫治器，所述矫治器利用上述的方法制作得到。
本发明相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：通过有限元分析构建局部力学表达不同的矫治器数字模型，在设计初始阶段引入结合了生物力学的有限元分析，在设计源头明确了矫治器的力学信息(需求与预设表达)；通过增材制造的方式直接制作出具有精准施力的矫治器。具体分别通过初始状态的牙颌数字模型和目标状态的牙颌数字模型，确定出矫治力信息，再构建出与矫治力信息相匹配的矫治器模型。避免现有技术中先制作牙颌模型再通过热压塑形等多工序获得矫治器，不仅减少工序、简化矫治器制作时需要的生产设备，降低矫治器的制作成本；而且通过增材制造的方式直接生成矫治器，采用局部厚度变化、材料变化等方式，使矫治器区域化力学反馈的设计得以实现，有效的提高并控制矫治器精度，从而使牙齿矫治器的矫治效果与牙齿矫治设计方案中的矫治目标相匹配。
上述矫治器数字模型的生成方法中，作为进一步改进，所述根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法，获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息的步骤，包括：根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型，确定各牙齿的移动信息；采用有限元分析算法，根据所述各牙齿的移动信息，分别确定出所述各牙齿的矫治力信息。上述方案通过初始状态的牙颌数字模型和目标状态的牙颌数字模型确定各牙齿的移动信息，再根据各牙齿的移动信息分别确定各牙齿的矫治力信息，确定方式直观简便。
作为进一步改进，若所述材料信息包括的材料为一种，则构建包括至少两个厚度不同的区域的矫治器数字模型。上述方案设计一种材料的矫治器的方案，可以通过厚度不同实现不同的矫治力。
作为进一步改进，若所述材料信息包括的材料为多种，则构建至少两个材料不同的区域的矫治器数字模型。上述方案设计多种材料的矫治器的方案，可以通过材料不同引入不同的力学特性从而实现不同的矫治力。
作为进一步改进，所述材料信息至少包括以下一种：密度、泊松比、弹性模量、应力松弛参数。
作为进一步改进，所述矫治目标信息包括：多个阶段矫治目标信息；所述构建目标牙颌数字模型，具体包括：分别构建对应所述多个阶段矫治目标信息的多个目标牙颌数字模型；所述构建矫治器数字模型，具体根据所述初始牙颌数字模型、多个所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，分别构建出与所述矫治力信息匹配的多个矫治器数字模型。上述方案明确矫治过程中可以分多阶段矫治，同时分别制作对应各阶段矫治目标的矫治器，更便于根据矫治效果及时调整。
作为进一步改进，所述初始牙颌数字模型通过初始牙齿状态信息获得。
作为进一步改进，所述初始牙齿状态信息通过口内扫描获得，或者，通过对牙颌模型的扫描获得。
上述牙齿矫治器的制作方法中，作为进一步改进，所述根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法，获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息的步骤，包括：根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型，确定各牙齿的移动信息；采用有限元分析算法，根据所述各牙齿的移动信息，分别确定出所述各牙齿的矫治力信息。上述方案通过初始状态的牙颌数字模型和目标状态的牙颌数字模型确定各牙齿的移动信息，再根据各牙齿的移动信息分别确定各牙齿的矫治力信息，确定方式直观简便。
作为进一步改进，若所述材料信息包括的材料为一种，则构建包括至少两个厚度不同的区域的矫治器数字模型。上述方案制定一种材料的矫治器的方案，可以通过厚度不同实现不同的矫治力。
作为进一步改进，所述增材制造方式为：数字光处理DLP或立体平板印刷SLA。单种材料的矫治器可以通过DLP或SLA方式打印。
作为进一步改进，若所述材料信息包括的材料为多种，则构建至少两个材料不同的区域的矫治器数字模型。上述方案制定多种材料的矫治器的方案，可以通过材料不同实现不同的矫治力。
作为进一步改进，所述增材制造方式为：多喷头的增材制造方式，或者，多喷头的增材制造与所述DLP或所述SLA结合的方式。多种材料的矫治器可以通过多喷头的增材制造方式，或多喷头的增材制造方式与DLP或SLA结合的方式制作。
作为进一步改进，所述材料信息至少包括以下一种：密度、泊松比、弹性模量、应力松弛参数。上述方案明确给定的材料信息中包括的具体参数。
作为进一步改进，所述材料信息中的材料由光聚合反应液通过光聚合生成，其中，所述光聚合反应液的成分包括：光聚合单体、光聚合低聚物、光引发剂、阻聚剂和色料。上述方案明确给定的材料信息中的材料的成分。
作为进一步改进，所述光聚合反应液在25℃时，粘度小于或等于3000厘帕·秒。上述方案明确给定材料的特性。
作为进一步改进，所述矫治目标信息包括：多个阶段矫治目标信息；所述构建目标牙颌数字模型，具体包括：分别构建对应所述多个阶段矫治目标信息的多个目标牙颌数字模型；所述构建矫治器数字模型，具体根据所述初始牙颌数字模型、多个所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，分别构建出与所述矫治力信息匹配的多个矫治器数字模型；所述制备对应的矫治器，具体根据所述多个矫治器数字模型，通过增材制造方式制备对应的多个矫治器。上述方案明确矫治过程中可以分多阶段矫治，同时分别制作对应各阶段矫治目标的矫治器，更便于根据矫治效果及时调整。
作为进一步改进，述初始牙颌数字模型通过初始牙齿状态信息获得。
作为进一步改进，所述初始牙齿状态信息通过口内扫描获得，或者，通过对牙颌模型的扫描获得。上述方案可以明确初始牙齿状态信息的获得方式。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明第一实施方式中牙齿矫治器数字模型的生成方法的流程图；
图2是根据本发明第二实施方式中牙齿矫治器数字模型的生成方法的流程图；
图3是根据本发明第一实施方式中另一牙齿矫治器数字模型的生成方法的流程图；
图4是根据本发明第二实施方式中牙齿矫治器数字模型的生成方法中对一牙齿区域构建数字模型的示意图；
图5是根据本发明第二实施方式中牙齿矫治器数字模型的生成方法中对一牙齿区域构建数字模型的另一示意图；
图6是根据本发明第二实施方式中牙齿矫治器数字模型的生成方法中对一牙齿区域构建数字模型的另一示意图；
图7是根据本发明第三实施方式中牙齿矫治器的制作方法的流程图；
图8是根据本发明第四实施方式中牙齿矫治器的制作方法的流程图；
图9是根据本发明第五实施方式中牙齿矫治器的制作方法的流程图；
图10是根据本发明第五实施方式中牙齿矫治器的制作方法制作出的数字模型的示意图；
图11是根据本发明第六实施方式中电子设备的结构示意图；
图12是根据本发明第七实施方式中电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明的第一实施方式涉及一种牙齿矫治器数字模型的生成方法。矫治器数字模型的生成方法流程如图1所示，具体如下：
步骤101，获取初始牙颌数字模型。
具体的说，初始牙颌数字模型可以通过初始牙齿状态信息获得。其中，初始牙齿状态信息可以通过口内扫描获得，或者，通过对用户的牙颌模型的扫描获得，预存于设备本地，初始牙齿状态信息具体可以包括：牙齿形状、牙龈位置等，以及由CBCT数据获得的牙根信息。牙齿形状中进一步还包括牙齿唇面、舌面、咬合面等形态，更进一步还可以包括有牙齿牙尖、嵴、窝、沟等。
步骤102，根据初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型。
具体的说，初始牙颌数字模型为步骤101中获得的初始牙颌数字模型，矫治目标可以根据医生和病患在治疗过程中确定，也可以预定一个矫治成功标准，以该标准作为矫治目标。所述目标牙颌数字模型中包含有牙齿矫治目标状态信息等，所述牙齿矫治目标状态信息可以是经由计算机对初始牙颌模型的处理、单颗牙齿的分割、填补并表面光滑处理后的单颗牙齿信息，进一步的可以是已经完成了相关牙齿类型、长轴等识别与标记。
步骤103，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
具体的说，由于在牙列的矫治过程中，需要对牙齿进行移动，包括平移、旋转、压低等，各牙齿在移动过程中，移动的距离不同、扭转的角度不同、所以移动/扭转的难度也不尽相同，所以所需要的矫治力或者力矩是必然不同。结合生物力学信息，运用有限元分析算法，计算出牙齿由初始位置移动/扭转到目标位置所需要的矫治力/力矩，再结合材料本身的力学性能，以及动力学特征，构建出符合矫治力要求的矫治器的数字模型。
同时，由于不同材质的力学性能不同，不同力学性能会影响矫治器的施力，所以在制作矫治器的数字模型时，需指定制作材料，以确定出对应的矫治器的数字信息。更具体的说，本步骤中材料信息中包括给定材料的力学性能，如弹性、刚性、蠕变性等，具体量化如密度、泊松比、弹性模量、硬度、应力松弛参数等，给定的材料，可以是预先指定，或者在构建数字模型时指定。所述密度可以根据GB/T 1033.1塑料、非泡沫塑料密度的测定方法测试所获得，所述泊松比可以根据GB/T1040.1塑料泊松比测试方法进行相关测试获的，所述弹性模量是通过万能材料试验机根据GB/T 1040.2-2006进行相关测试获得，所述硬度是根据GB/T2411-2008采用邵氏硬度计进行相关测试获得，所述应力松弛参数是指在40℃纯水中，在300g的恒定拉力作用下，相应时间点的试样伸长率。
更具体的说，材料信息中的材料由光聚合反应液通过光聚合生成，其中，光聚合反应液的成分包括：光聚合单体、光聚合低聚物、光引发剂、阻聚剂、色料和光泽剂，还可以包括其它助剂。上述光聚合反应液在25℃时，粘度小于或等于3000厘帕·秒。
其中，所述光聚合单体是光聚合的主体，其中以丙烯酸酯及其衍生物为主，利用留存的双键进行聚合反应，具体的可以是甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、苯氧基丙烯酸异丙酯、三羟甲基丙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯等三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯的一种或几种；也可是能够参与光聚合反应的其他材料，如氨基甲酸酯、异氰酸酯、环氧丙烯酸酯中的一种或几种。光聚合低聚物主要是参与光聚合反应，同时可以对反应液体的流动性进行调节，可以提供一定的刚性、韧性或者耐磨性等。例如基于低聚物的结构的改进，例如环状结构(苯环、磷环、环氧等)引入可以增加聚合后材料刚性，再例如低聚物中支链上引入长链烷烃的结构，可以增加聚合后材料的韧性，以调节材料的蠕变性。具体的可以是上述光聚合单体或其单体组合进行初步预聚后的低聚物，例如氨基丙烯酸酯低聚物、聚丙烯酸酯低聚物、环氧丙烯酸酯、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、有机硅低聚物等的一种或多种。光引发剂可以进行根据激光波长进行选择和适配，例如咪唑类光引发剂、胺类光引发剂等，具体如双咪唑(91-93)/2,2',4-三(2-氯苯基)-5-(3,4-二甲氧基苯基)-4'5'-二苯基-1,1'-二咪唑等。阻聚剂用于保障光聚合反应液体在常温下的状态稳定，不发生自聚反应，可以采用氢醌类、苯酚类等阻聚剂。色料，用于颜色的调节与呈现，使得聚合物材料具有所种颜色，更符合矫治器的个性化设计。光泽剂用于使聚合物材料外表面光滑、平整，例如丙烯酸乙酯和2-乙基己基丙烯酸酯共聚物等。
步骤101～103构成了牙齿矫治器数字模型的生成方法，构建出了与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
值得一提的是，在确定矫治目标时，可以设置多个阶段矫治目标，分别制作出对应的矫治器，实现分阶段矫治，同时便于根据矫治效果及时调整矫治方案。具体的说，在构建目标牙颌数字模型时，分别构建对应多个阶段矫治目标信息的多个目标牙颌数字模型；在构建矫治器数字模型时，具体根据初始牙颌数字模型、多个目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，分别构建出与矫治力信息匹配的多个矫治器数字模型；在制备对应的矫治器时，具体根据多个矫治器数字模型，通过增材制造方式制备对应的多个矫治器。
在另一个例子中，为了保证矫治方案的准确，以及结合患者的接受程度，本实施方式中的设计与制作方法的步骤103，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型，具体有限元分析设计过程可以参见如图3所示，在构建出矫治器模型后，自动进入和动力学比对的过程，确定各牙齿的目标位是否与动力学相吻合，确定单步移动量是否与动力学相吻合，继而判断矫治方案是否被患者接受，同时根据判定结果适时调整矫治方案，从而使得最终获得的矫治器符合动力学，符合患者的需求。对步骤103进行进一步说明如下：
步骤1031，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型，构建牙列移动信息。具体的，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型，在初始态与目标态之间建立牙列移动信息，其中所述牙列移动信息包括牙列的移动路径、移动位移等。
步骤1032，根据牙列移动信息，确定目标牙齿及其移动到目标位所需矫治力。具体的，确定出一颗或多颗需要移动的目标牙齿，在有限元分析软件中建立将所述目标牙齿从初始位置移动到目标位置的数学模型，分别计算将所述目标牙齿从初始位置到目标位置所需要的矫治力。所述矫治力主要体现为力系的合力，其可以包括施力位置、力矩、力偶等。
步骤1033，根据牙齿参数划分移动阶段，生成相应阶段的牙列模型相应阶段所需矫治力。其中，所述阶段可以是医学上某一具体标志性阶段，例如完成某颗牙齿的移动，也可以是每一个移动步骤的阶段，例如单步移动。所述牙齿参数主要是指牙齿及周边组织的力学参数信息，例如牙齿、牙周膜或者牙槽骨的变化与受力信息参数等，更具体的例如每步牙齿受力不超过100g，或每步牙齿移动量不超过0.2mm，亦或是每阶段牙周膜总体的厚度变化量不超过0.2mm等。根据上述的一些参数将移动进行阶段性划分，并根据已划分的阶段，生成相应的阶段的初始态与目标态，以及完成该阶段移动所需矫治力信息。
步骤1034，根据阶段牙列模型和相应阶段所需矫治力，结合材料信息，创建相应阶段矫治器数字模型。具体的，由该阶段牙列模型中的初始态牙列模型，以阴模的形式构建出初始态牙套数字模型，在有限元分析软件中模拟计算，以预设矫治器材料保持不变为条件，在初始牙套相应的矫治力施加位置处，使牙套与牙齿进行接触，两者发生相互作用并计算其作用力，逐渐调整该施力处的厚度，当该相互作用力中牙齿受力等于所需矫治力时，此时该牙套的数字模型即为该阶段的矫治器数字模型。若预设矫治器厚度不变为条件，可以在材料库进行选择，在所述施力处调整材料组分、材料各组分的厚度等，以使得所述牙齿受力等于所需矫治力。
步骤1035，将矫治器数字模型施加到初始牙颌数字模型，以生成模拟目标牙颌数字模型。具体的，将矫治器数字模型施加到初始牙颌数字模型，可以是阶段化的模拟佩戴，也可以是从最初始的牙颌模型进行模拟佩戴。系列化的模拟佩戴时，上一步中的模拟目标态即为下一步中的模拟初始态，例如，从第一矫治器数字模型施加到初始牙颌模型，使其产生移动，生成第一模拟目标态，第二矫治器数字模型施加到所述第一模拟目标态，使其产生移动，生成第二模拟目标态……第N矫治器数字模型施加到所述第N-1模拟目标态，使其产生移动，生成第N模拟目标牙颌数字模型。
步骤1036，判断各牙齿的目标位是否与动力学相吻合。具体的，根据上述经过模拟佩戴所生成的模拟目标牙颌数字模型中的牙齿信息与步骤1032中的目标牙齿与移动信息进行比对，判断该逐渐施力与逐渐移动至上述第N模拟目标牙颌数字模型是否到达矫治目标位，其过程是否符合动力学要求，若不满足，则反馈并重新调整与计算矫治力参数。若满足，则进行下一步操作。
步骤1037，判断各牙齿的单步移动量是否与动力学相吻合。具体的，计算上述每一步模拟佩戴中产生的移动信息，与步骤1033中的牙齿参数进行比对，判断每一步的移动量是否符合动力学要求，若不满足，则重新对矫治阶段进行划分与计算。若满足，则进行下一步操作。
步骤1038判断矫治方案设计是否被医生/患者接受。具体的，此时矫治方案，即矫治器的设计方案，已经出现，会反馈给医生/患者进行确认，若不接受此方案，再行进行方案设计。进行下一循环时，可再行加入一些限制条件，例如是否接受拔除牙齿、是否接受邻面去釉，或者是关于矫治时长等条件，再行进行循环计算，设计矫治方案。
上述过程中，有限元分析软件可采用ANSYS，Patran/Nastran，Abaqus，Hypermesh等；也可以采用与三维结构设计相结合的Creo(Pro\E)，UG，CATIA等，或者是采用国产有限元软件：FEPG，SciFEA，iFEX，KMAS，FELAC等。进一步的，上述有限元分析建模可以采用粘弹性模型，并约定一些边界条件或者变形协调条件，其中，边界条件可以是相关位移参量、牙齿与矫治器同步变形参量、力与应变的参量等。
可见，本实施方式通过有限元分析构建局部力学表达不同的矫治器数字模型，具体通过分别初始状态的牙颌数字模型和目标状态的牙颌数字模型，确定出矫治力信息，再构建出于矫治力信息相匹配的矫治器模型。
本发明的第二实施方式涉及一种牙齿矫治器数字模型的生成方法。第二实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中进一步明确先通过矫治时牙齿预计的移动信息确定各牙齿所需的矫治力，使得矫治力的确认准确简便。
具体的说，本实施方式中牙齿矫治器的制作方法的流程图如图2所示，具体如下：
本实施方式中步骤201和步骤202与第一实施方式中的步骤101和步骤102相类似，在此不再赘述。
步骤203，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型，确定各牙齿的移动信息。
具体的说，本步骤中的初始牙颌数字模型和目标牙颌数字模型可以直接通过显示屏展示，提高各步骤的可视化效果，查看时还可以变换视角，方便用户全面了解牙列的造型，同时便于实际应用中可能的人工调整。其中，上述移动信息可以包括：移动方向、移动距离、移动路径等，移动路径为一牙齿从初始位置移动到目标位置的移动轨迹。
还需说明的是，在确定移动信息的过程中，可以根据各牙齿的位置、形状、尺寸等，再结合避免碰撞等算法，可以进一步确定出合适的牙齿移动路径，关于避免碰撞的算法在此不再赘述。
步骤204，采用有限元分析算法，根据各牙齿的移动信息，分别确定出各牙齿的矫治力信息。
具体的说，本步骤可以基于各牙齿需要移动的路径，以及单颗牙齿矫治最大承受力、最大移动量、最大旋转量进行分析，还可以结合牙槽骨/牙周膜最大的耐受力、力矩等进行分析，从而获得合适的所需力系。
进一步说，确定单颗牙齿的移动信息，包括：左右平移，前后平移，或是扭转，根据牙齿最大受力(最大受力可根据生物力确定，如牙槽骨阻力)的限制，进行移动阶段的分步，获得每阶段移动量，进而获得每步的所需的移动力系。如根据某一牙齿的移动信息确定需要施加600g的力，但该牙齿的最大受力限制是250g，则需要分步实现该牙齿的实现，避免一次到位的调整，这样就可以减小每阶段对该牙齿所需施加的力。
步骤205，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
具体的说，可以基于有限元分析构建矫治器的数字模型，同时，本实施方式中指定的矫治器的材料为一种，相应地，根据所指定的该种材料的力学特征和所需力系，确定数字模型中各区域的厚度。也就是说，本实施方式中获得各区域厚度不同的矫治器，通过局部材料的不同厚度实现不同区域的不同应力。以图4至图6为例，如：图4中的牙齿需要施加如O点所示的箭头方向的力，则可以将矫治器A区域的厚度加厚。如果加厚后的受力符合牙齿移动所需的力系，则完成该牙齿区域的矫治器的尺寸确定。如不符合，再进一步分析：如果加厚后呈现受力过大的问题，则可以将矫治器B区域(如图5所示)厚度加厚，以平衡受力。如果加厚后的受力符合牙齿移动所需的力系，则完成该牙齿区域的矫治器的尺寸确定。如不符合，再继续分析，如果在B区域增厚后，使得竖直方向的向上力过大，则可以将增厚B区域的方式改为增厚图6中的C区域，以平衡竖直方向受力。如果此时该牙齿的受力符合牙齿移动所需的力系，那么即完成该牙齿区域的尺寸确定。对各个牙齿对应区域均确定后，完成整个矫治器的数字模型。
综上，本实施方式中通过确定各牙齿的移动信息，继而通过移动信息确定各牙齿的矫治力，使得矫治力的确认准确简便，获得更为精准的数字模型。
本发明的第三实施方式涉及一种牙齿矫治器的制作方法。牙齿矫治器的制作方法流程如图7所示，具体如下：
步骤701，获取初始牙颌数字模型。
具体的说，初始牙颌数字模型可以通过初始牙齿状态信息获得。其中，初始牙齿状态信息可以通过口内扫描获得，或者，通过对用户的牙颌模型的扫描获得，预存于设备本地，初始牙齿状态信息具体可以包括：牙齿形状、牙龈位置等，以及由CBCT数据获得的牙根信息。牙齿形状中进一步还包括牙齿唇面、舌面、咬合面等形态，更进一步还可以包括有牙齿牙尖、嵴、窝、沟等。
步骤702，根据初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型。
具体的说，初始牙颌数字模型为步骤101中获得的初始牙颌数字模型，矫治目标可以根据医生和病患在治疗过程中确定，也可以预定一个矫治成功标准，以该标准作为矫治目标。所述目标牙颌数字模型中包含有牙齿矫治目标状态信息等，所述牙齿矫治目标状态信息可以是经由计算机对初始牙颌模型的处理、单颗牙齿的分割、填补并表面光滑处理后的单颗牙齿信息，进一步的可以是已经完成了相关牙齿类型、长轴等识别与标记。
步骤703，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
具体的说，由于在牙列的矫治过程中，需要对牙齿进行移动，包括平移、旋转、压低等，各牙齿在移动过程中，移动的距离不同、扭转的角度不同、所以移动/扭转的难度也不尽相同，所以所需要的矫治力或者力矩是必然不同。结合生物力学信息，运用有限元分析算法，计算出牙齿由初始位置移动/扭转到目标位置所需要的矫治力/力矩，再结合材料本身的力学性能，以及动力学特征，构建出符合矫治力要求的矫治器的数字模型。
同时，由于不同材质的力学性能不同，不同力学性能会影响矫治器的施力，所以在制作矫治器的数字模型时，需指定制作材料，以确定出对应的矫治器的数字信息。更具体的说，本步骤中材料信息中包括给定材料的力学性能，如弹性、刚性、蠕变性等，具体量化如密度、泊松比、弹性模量、硬度、应力松弛参数等，给定的材料，可以是预先指定，或者在构建数字模型时指定。所述弹性模量是通过万能材料试验机根据GB/T 1040.2-2006进行相关测试获得，所述硬度是根据GB/T 2411-2008采用邵氏硬度计进行相关测试获得，所述应力松弛参数是指在40℃纯水中，在300g的恒定拉力作用下，相应时间点的试样伸长率。
更具体的说，材料信息中的材料由光聚合反应液通过光聚合生成，其中，光聚合反应液的成分包括：光聚合单体、光聚合低聚物、光引发剂、阻聚剂、色料和光泽剂，还可以包括其它助剂。上述光聚合反应液在25℃时，粘度小于或等于3000厘帕·秒。
其中，所述光聚合单体是光聚合的主体，其中以丙烯酸酯及其衍生物为主，利用留存的双键进行聚合反应，具体的可以是甲基丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、苯氧基丙烯酸异丙酯、三羟甲基丙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯等三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯的一种或几种；也可是能够参与光聚合反应的其他材料，如氨基甲酸酯、异氰酸酯、环氧丙烯酸酯中的一种或几种。光聚合低聚物主要是参与光聚合反应，同时可以对反应液体的流动性进行调节，可以提供一定的刚性、韧性或者耐磨性等。例如基于低聚物的结构的改进，例如环状结构(苯环、磷环、环氧等)引入可以增加聚合后材料刚性，再例如低聚物中支链上引入长链烷烃的结构，可以增加聚合后材料的韧性，以调节材料的蠕变性。具体的可以是上述光聚合单体或其单体组合进行初步预聚后的低聚物，例如氨基丙烯酸酯低聚物、聚丙烯酸酯低聚物、环氧丙烯酸酯、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、有机硅低聚物等的一种或多种。光引发剂可以进行根据激光波长进行选择和适配，例如咪唑类光引发剂、胺类光引发剂等，具体如双咪唑(91-93)/2,2',4-三(2-氯苯基)-5-(3,4-二甲氧基苯基)-4'5'-二苯基-1,1'-二咪唑等。阻聚剂用于保障光聚合反应液体在常温下的状态稳定，不发生自聚反应，可以采用氢醌类、苯酚类等阻聚剂。色料，用于颜色的调节与呈现，使得聚合物材料具有所种颜色，更符合矫治器的个性化设计。光泽剂用于使聚合物材料外表面光滑、平整，例如丙烯酸乙酯和2-乙基己基丙烯酸酯共聚物等。
上述步骤701～703构成了牙齿矫治器数字模型的生成方法，构建出了与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
步骤704，根据矫治器的数字模型，通过增材制造方式制备对应的矫治器。
具体的说，本实施方式中通过增材制造方式，如3D打印方式，根据矫治器的数字模型打印出对应的矫治器。更具体的，所述3D打印可以是基于光聚合成型的方式，采用上述光聚合反应液生成。
可见，本实施方式通过有限元分析构建局部力学表达不同的矫治器数字模型，通过增材制造的方式直接制作出具有精准施力的矫治器。具体通过分别初始状态的牙颌数字模型和目标状态的牙颌数字模型，确定出矫治力信息，再构建出于矫治力信息相匹配的矫治器模型。避免现有技术中先制作牙颌模型再通过热压塑形等多工序获得矫治器，不仅减少工序、简化矫治器制作时需要的生产设备，降低矫治器的制作成本。另外，现有热压成型工艺中可用材料单一，而直接制作时可采用的材料更为丰富，可以制作出更为个性化的矫治器。
本发明的第四实施方式涉及一种牙齿矫治器的制作方法。第四实施方式是在第三实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第四实施方式中进一步明确先通过矫治时牙齿预计的移动信息确定各牙齿所需的矫治力，使得矫治力的确认准确简便。
具体的说，本实施方式中牙齿矫治器的制作方法的流程图如图8所示，具体如下：
本实施方式中步骤801和步骤802与第一实施方式中的步骤701和步骤702相类似，在此不再赘述。
步骤803，根据初始牙颌数字模型、目标牙颌数字模型，确定各牙齿的移动信息。
具体的说，本步骤中的初始牙颌数字模型和目标牙颌数字模型可以直接通过显示屏展示，提高各步骤的可视化效果，查看时还可以变换视角，方便用户全面了解牙列的造型，同时便于实际应用中可能的人工调整。其中，上述移动信息可以包括：移动方向、移动距离、移动路径等，移动路径为一牙齿从初始位置移动到目标位置的移动轨迹。
还需说明的是，在确定移动信息的过程中，可以根据各牙齿的位置、形状、尺寸等，再结合避免碰撞等算法，可以进一步确定出合适的牙齿移动路径，关于避免碰撞的算法在此不再赘述。
步骤804，采用有限元分析算法，根据各牙齿的移动信息，分别确定出各牙齿的矫治力信息。
具体的说，本步骤可以基于各牙齿需要移动的路径，以及单颗牙齿矫治最大承受力、最大移动量、最大旋转量进行分析，还可以结合牙槽骨/牙周膜最大的耐受力、力矩等进行分析，从而获得合适的所需力系。
进一步说，确定单颗牙齿的移动信息，包括：左右平移，前后平移，或是扭转，根据牙齿最大受力(最大受力可根据生物力确定，如牙槽骨阻力)的限制，进行移动阶段的分步，获得每阶段移动量，进而获得每步的所需的移动力系。如根据某一牙齿的移动信息确定需要施加600g的力，但该牙齿的最大受力限制是250g，则需要分步实现该牙齿的实现，避免一次到位的调整，这样就可以减小每阶段对该牙齿所需施加的力。
步骤805，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
具体的说，可以基于有限元分析构建矫治器的数字模型，同时，本实施方式中指定的矫治器的材料为一种，相应地，根据所指定的该种材料的力学特征和所需力系，确定数字模型中各区域的厚度。也就是说，本实施方式中获得各区域厚度不同的矫治器，通过局部材料的不同厚度实现不同区域的不同应力。以图4至图6为例，如：图4中的牙齿需要施加如O点所示的箭头方向的力，则可以将矫治器A区域的厚度加厚。如果加厚后的受力符合牙齿移动所需的力系，则完成该牙齿区域的矫治器的尺寸确定。如不符合，再进一步分析：如果加厚后呈现受力过大的问题，则可以将矫治器B区域(如图5所示)厚度加厚，以平衡受力。如果加厚后的受力符合牙齿移动所需的力系，则完成该牙齿区域的矫治器的尺寸确定。如不符合，再继续分析，如果在B区域增厚后，使得竖直方向的向上力过大，则可以将增厚B区域的方式改为增厚图6中的C区域，以平衡竖直方向受力。如果此时该牙齿的受力符合牙齿移动所需的力系，那么即完成该牙齿区域的尺寸确定。对各个牙齿对应区域均确定后，完成整个矫治器的数字模型。
步骤806，根据矫治器的数字模型，通过DLP方式制备对应的矫治器。
具体的说，DLP(Digital Light Processing，数字光处理)三维打印机是一种基于数字光处理技术，以液态光固化树脂为成型材料的快速成型设备，其具有成型速度快及成型精度高的优点。实施例中，所述液态光固化树脂即为前述光聚合反应液。
实际应用中，还可以采用光固化成型(Stereo Lithography Appearance，SLA或SL)主要是使用光敏树脂作为原材料，利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。光敏树脂一般为液态，它在一定波长的紫外光(250nm～400nm)照射下立刻引起聚合反应，完成固化。SLA通过特定波长与强度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成一个层截面的绘制工作。这样层层叠加，完成一个三维实体的打印工作。实施例中，所述光敏树脂/液态光敏树脂即为前述光聚合反应液。
综上，本实施方式中通过确定各牙齿的移动信息，继而通过移动信息确定各牙齿的矫治力，使得矫治力的确认准确简便。另外，在只需一种材料的情况下，可以通过不同厚度实现不同矫治力的区域，进一步通过DLP或SLA方式制作出矫治器，使得整个过程可自动化程度高。
本发明第五实施方式涉及一种牙齿矫治器的制作方法。第五实施方式和第四实施方式大致相同，主要区别在于：第四实施方式中指定的矫治器材料为一种，而本实施方式中指定的矫治器材料为多种，所以在数字模型的构建时，可以根据不同材料的力学特性，选择不同的材料，使得可以制作出平衡轻薄和牢固度的矫治器。
本实施方式中的牙齿矫治器的制作方法的流程图如图9所示，具体如下：
步骤901至步骤904与第二实施方式中的步骤801至步骤804相类似，在此不再赘述。
步骤905，构建与矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
具体的说，本实施方式可以基于有限元分析构建矫治器的数字模型，具体可以根据所指定的多种材料的力学特征和所需力系，确定数字模型中各区域的材料和对应厚度。其中，指定的矫治器的材料可以由光聚合反应液通过光聚合生成，其中，光聚合反应液的成分可以包括：光聚合单体、光聚合低聚物、光引发剂、阻聚剂和色料，还可以包括其他助剂。
实际应用中，可以根据确定的厚度，选择所需厚度值最小的材料，以提升矫治器的轻薄性，增加患者佩戴的舒适度。
步骤906，根据矫治器的数字模型，通过多喷头的增材制造方式制备对应的矫治器。
具体的说，本实施方式采用多喷头的增材制造方式直接打印出矫治器，实现局部性能的调节与控制，从而可以打印出多材料/多聚合度/多厚度/多力学反馈的牙套。上述多喷头的增材制造方式可以选择聚合物喷射技术(polyjet)，其采用阵列式喷头，可以同时喷射不同材料，喷射完成后通过紫外光照射固化成型。还可以采用喷头式打印与SLA或DLP相结合的方式，实现打印过程中局部性能的变化。具体如下：
1)多喷头的3D打印，通过多喷头，同时喷射不同材料，实现多种材料同时打印；
2)多喷头+SLA相结合，实现多种材料的同时打印；
3)多喷头+DLP，实现多种材料的同时打印。
对应的喷头中光聚合反应液，要求其25℃下的粘度小于等于3000cps，并且可以通过调节所述光聚合反应液中的单体与低聚物的含量及配比，以调节其粘度，以使其达到可以与设备和相应工艺相配合的目的。同时，工艺实现中的喷头距离高度、激光/紫外光强度等的设计可以基由光聚合反应液粘度、聚合度速率等进行调节，在此不再一一列举。
打印过程可以包括：接收矫治器数据，对矫治器的数据在打印方向上进行由上到下(或其他顺序性)的逐层分层(分层可以均分可以非均分)，然后按照每一层的数据进行逐层打印。
综上，本实施方式中采用多材料组合制成的矫治器，使得在应力和矫治器尺寸上可以获得更优的方案，做出矫治效果更好的矫治器。
上述第一实施方式至第三实施方式中任意一个牙齿矫治器的制作方法可以制作出效果如图10所示的矫治器，图10中可以将矫治器和对应的牙列对比展示，给用户直观的效果呈现。
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
本发明第六实施方式涉及一种电子设备，如图11所示，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如上述第一实施方式或第二实施方式中任意一个牙齿矫治器数字模型的生成方法。
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。
其中，处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
本发明第七实施方式涉及一种电子设备，如图12所示，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如上述第三实施方式或第四实施方式中任意一个牙齿矫治器的制作方法。
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。
其中，处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
本发明第八实施方式涉及一种牙齿矫治器，该牙齿矫治器利用上述第三实施方式或第四实施方式中任意一个牙齿矫治器的制作方法制作得到。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (16)
1.一种矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，包括：
获取初始牙颌数字模型；
根据所述初始牙颌数字模型、矫治目标信息，构建目标牙颌数字模型；
根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，构建与所述矫治力信息相匹配的矫治器数字模型。
2.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，所述根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法，获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息的步骤，包括：
根据所述初始牙颌数字模型、所述目标牙颌数字模型，确定各牙齿的移动信息；
采用有限元分析算法，根据所述各牙齿的移动信息，分别确定出所述各牙齿的矫治力信息。
3.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，若所述材料信息包括的材料为一种，则构建包括至少两个厚度不同的区域的矫治器数字模型。
4.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，若所述材料信息包括的材料为多种，则构建至少两个材料不同的区域的矫治器数字模型。
5.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，所述材料信息至少包括以下一种：泊松比、弹性模量、应力松弛参数。
6.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，所述矫治目标信息包括：多个阶段矫治目标信息；
所述构建目标牙颌数字模型，具体包括：分别构建对应所述多个阶段矫治目标信息的多个目标牙颌数字模型；
所述构建矫治器数字模型，具体根据所述初始牙颌数字模型、多个所述目标牙颌数字模型和材料信息，采用有限元分析算法获取用于生成目标牙颌模型的矫治力信息，分别构建出与所述矫治力信息匹配的多个矫治器数字模型。
7.根据权利要求1所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，所述初始牙颌数字模型通过初始牙齿状态信息获得。
8.根据权利要求7所述的矫治器数字模型的生成方法，其特征在于，所述初始牙齿状态信息通过口内扫描获得，或者，通过对牙颌模型的扫描获得。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至8中任一项所述的矫治器数字模型的生成方法。
10.一种牙齿矫治器的制作方法，其特征在于，包括：根据权利要求1至8中任一项所述的矫治器数字模型的生成方法，构建矫治器数字模型；根据所述矫治器数字模型，通过增材制造方式制备对应的矫治器。
11.根据权利要求10所述的牙齿矫治器的制作方法，其特征在于，若所述材料信息包括的材料为一种，则构建包括至少两个厚度不同的区域的矫治器数字模型；其所述增材制造方式为：数字光处理DLP或立体平板印刷SLA。
12.根据权利要求10所述的牙齿矫治器的制作方法，其特征在于，若所述材料信息包括的材料为多种，则构建至少两个材料不同的区域的矫治器数字模型；其所述增材制造方式为：多喷头的增材制造方式，或者，多喷头的增材制造与所述DLP或所述SLA结合的方式。
13.根据权利要求10所述的牙齿矫治器的制作方法，其特征在于，所述材料信息中的材料由光聚合反应液通过光聚合生成，其中，所述光聚合反应液的成分包括：光聚合单体、光聚合低聚物、光引发剂、阻聚剂和色料。
14.根据权利要求13所述的牙齿矫治器的制作方法，其特征在于，所述光聚合反应液在25℃时，粘度小于或等于3000厘帕·秒。
15.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求10至14中任一项所述的牙齿矫治器的制作方法。
16.一种牙齿矫治器，其特征在于，所述矫治器利用权利要求10至14中任意一项所述的方法制作得到。
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